CN108258376A - 高隔离度微波不等分功分器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微波不等分功率分配器的设计方法。当工作频率升高，微带线的物理长度变小，高隔离度不等分功分器利用传统方式难以实现。本发明利用低温共烧陶瓷工艺将微波电路和隔离电阻一次烧成，功分器由T型枝节、隔离电阻、弯折的360°电压传递微带线、阻抗变换微带线和测试端口组成。本发明通过增加电长度为360°传输线解决了功分器和电阻的连接问题和隔离问题，与现有的电长度为270°的微带功分器技术方案相比较，电路尺寸减小且减少了插入损耗；与现有的不附加隔离电阻的技术方案相比较，本发明设计的微波/毫米波不等分功分器提供了较高的隔离度。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率分配器的设计方法。
背景技术
功率分配/合成器简称功分/功合器，其性能和优点在于将功率无损的等幅同相或不等幅同相分配至多路负载，负载可以是天线、Dohty放大器、电阻等任意形式，微带功分/功合器因设计灵活且尺寸较小在馈电网络中广泛使用。在相控阵雷达整机中功分/功合器网络的性能直接影响了雷达单机的性能。
在现有的技术方案中，Wilkinson功分器使用隔离电阻来平衡电长度为90°的微带端口处的电压，在图1中端口1输入功率，端口2和端口3输出功率，端口1、端口2和端口3通过Y型结构互连，设计良好的功分器在电阻两侧的电压始终相等，为端口2和端口3之间提供所需的隔离度。不使用隔离电阻的功分器的端口2和端口3通常隔离度很差，无法用于功率合成，会影响到整个网络的稳定性。随着工作频率的升高，微带的物理尺寸相应的变短，而固定阻抗的微带线的宽度基本不变，因此使用经典Wilkinson结构的功率分配器的两个微带难以弯曲同时连接Y型结构和隔离电阻两端。
在经典结构中，Y型枝节微带线弯曲后连接端口1与隔离电阻，随着功分器工作频率的升高，Y型枝节微带线长度变短，与微带线的宽度相比拟，已无法实现该种弯曲结构；或当功分比为不等分状态时，部分枝节需要更宽的微带线，同样无法实现该种结构。一个有效的处理方法为采用电长度270°的微带枝节替代电长度为90°微带枝节，但这增加了功分器的整体尺寸，同时也增加了损耗。
因此，在以上技术领域内存在利用现有技术难以设计高隔离度微波/毫米波不等分功分器的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率分配器，能够实现高隔离度微波/毫米波不等分功分器。
为解决上述问题，本发明提供一种功率分配器的设计方法，包括：
利用低温共烧陶瓷工艺加工微波基板和微波电路图形；
利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻；
使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。
进一步的，在上述方法中，所述微波基板采用损耗角正切为0.002、相对介电常数为5.9±0.2的Ferro A6M陶瓷。
进一步的，在上述方法中，利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻，包括：
采用后烧电阻材料并利用激光调阻来获得设计期望的电阻图形和阻值。
进一步的，在上述方法中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之后，还包括：
采用金属浆料填充的实心通孔作为测试端口的接地结构。
进一步的，在上述方法中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之前，还包括：
采用电路仿真的方法，确定每个电长度为90°的微带线的特征阻抗。
进一步的，在上述方法中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之前，还包括：
利用有限元全波计算方法优化出弯折的360°的微带线的具体结构。
进一步的，在上述方法中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。
以1:2功分器为例说明设计步骤，包括：
步骤一、根据Wilkinson功分器阻抗计算方式计算出所需的电长度为90°的微带线的阻抗，具体为50 ohm/103 ohm/51.5 ohm/59 ohm/42 ohm；
步骤二、在工艺允许的加工范围内，利用有限元全波计算方法计算出电长度为360°的微带线的具体结构尺寸；
步骤三、根据最恶劣的功率失配情况计算出电长度为360°的微带线的宽度，确保电长度为360°可承受失配情况下的功率；
步骤四、根据实际应用需求摆放两个电长度为90°的微带线的夹角角度；
步骤五、在两个电长度为90°的微带线中任一个的末段摆放厚膜电阻，并计算出需要的106 ohm厚膜电阻的尺寸；
步骤六、根据上述微带线的角度来弯曲电长度为360°的微带线，要求微带线与功分器的功率分配臂尽量少的发生耦合，使之符合小型化需求和高隔离度需求；
步骤七、对不同阻抗值的微带线相连处采用削45°角的方式来消弱不连续性所增加的电容；
步骤八、对上述版图进行优化，获得最终版图。
步骤九、加工后需对厚膜电阻进行激光调阻，确保设计电阻的稳定性。
与现有技术相比，本发明提出一种新型高隔离度的不等分功分器的生成方法，利用LTCC工艺加工实现微波基板和微波电路图形，利用LTCC厚膜电阻工艺加工隔离电阻以实现满足技术需求的不等分功分器两端口插入损耗和隔离度，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。这种功分器由功率分配Y型枝节、隔离电阻、电压传递微带线、阻抗变换微带线和测试端口组成。现有的技术方案当工作频率较高时利用微带线难以设计高隔离度功率分配器，本发明与现有的电长度为270°的微带功分器技术方案相比较，电路尺寸减小且减少了较长的微带线所带来的损耗；与现有的不附加隔离电阻的技术方案相比较，本发明设计的微波/毫米波不等分功分器可提供较高的隔离度。本发明所引入的360°的微带线从微波电路理论考虑没有限制阻抗，通常来说，采用适合工艺加工的较细线条可以获得灵活的结构，采用较粗线条可承受更高的失配所形成的功率，该设计方法解决了高频率微波功分器隔离度低的难题，并提高了功分器的功率适用范围。
附图说明
图1是现有的Wilkinson功分器微带结构示意图；
图2是本发明一实施例的功率分配器结构示意图；
图3是本发明一实施例的功率分配器的前仿电路仿真S参数图；
图4是本发明一实施例的功率分配器优化后的版图结构；
图5是本发明一实施例的利用有限元全波方法仿真计算的S参数图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种功率分配器的生成方法，包括：
利用LTCC工艺加工微波基板和微波电路图形；
利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻；
使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。
在此，本发明提出一种新型高隔离度的功分器的生成方法，利用LTCC工艺加工实现微波基板和微波电路图形，利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻以实现满足技术需求的不等分功分器两端口插入损耗和隔离度，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。这种功分器由功率分配Y型枝节、隔离电阻、电压传递微带线、阻抗变换微带线和测试端口组成。
图2为本发明提出的增加电长度为360°的微带线后的新型功率分配器，该微带线的阻抗符合工艺要求和失配功率承受度即可。因此，可实现高频率的微波不等分功率分配器。
现有的技术方案当工作频率较高时利用微带线难以设计高隔离度功率分配器，本发明与现有的电长度为270°的微带功分器技术方案相比较，电路尺寸减小且减少了较长的微带线所带来的损耗；与现有的不附加隔离电阻的技术方案相比较，本发明设计的微波/毫米波不等分功分器可提供较高的隔离度。本发明所引入的360°的微带线从微波电路理论考虑没有限制阻抗，通常来说，采用适合工艺加工的较细线条可以获得灵活的结构，采用较粗线条可承受更高的失配所形成的功率，该设计方法解决了高频率微波功分器隔离度低的难题，并提高了不等分功分器的功率适用范围。
本发明的功率分配器的生成方法一实施例中，所述微波基板采用损耗角正切为0.002、相对介电常数为5.9±0.2的Ferro A6M陶瓷。
在此，采用微波/毫米波频段中损耗较小(损耗角正切为0.002、相对介电常数为5.9 ± 0.2)的Ferro A6M陶瓷作为微波/毫米波介质基板。
本发明的功率分配器的生成方法一实施例中，利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻，包括：
采用后烧电阻材料并利用激光调阻来获得设计期望的电阻图形和阻值。
本发明的功率分配器的生成方法一实施例中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之后，还包括：
采用金属浆料(金)填充的实心通孔作为测试端口接地结构。
本发明的功率分配器的生成方法一实施例中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之前，还包括：
根据采用电路仿真的方法，确定每个电长度为90°的微带线的特征阻抗。
本发明的功率分配器的生成方法一实施例中，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之前，还包括：
利用有限元全波计算方法计算出弯折的360°的微带线的具体结构。
实施例1：设计工作频率为16 GHz的功率分配比为1:2的功率分配器，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻，包括：
步骤一、根据Wilkinson功分器阻抗计算方式计算出所需的电长度为90°的微带线的阻抗，具体为50 ohm/103 ohm/51.5 ohm/59 ohm/42 ohm；
步骤二、在工艺允许的加工范围内，利用有限元全波计算方法计算出电长度为360°的微带线的具体结构；
步骤三、根据最恶劣的功率失配情况计算出电长度为360°的微带线的宽度；
步骤四、根据实际应用需求摆放两个电长度为90°的微带线的夹角角度；
步骤五、在两个电长度为90°的微带线中任一个的末段摆放厚膜电阻，并计算出需要的106 ohm厚膜电阻的尺寸；
步骤六、根据上述微带线的角度来弯曲电长度为360°的微带线，使之符合小型化需求和高隔离度需求；
步骤七、对不同阻抗值的微带线相连处采用削45°角的方式来消弱不连续性所增加的电容；
步骤八、对上述版图进行优化，获得最终版图。
步骤九、加工后需对厚膜电阻进行激光调阻。
图3给出了本发明的功分器的电路仿真S参数图。
图4是本发明一实施例的功率分配器优化后的版图结构。
图5为利用有限元全波方法仿真计算的S参数图，可知，该功率分配器具备结构灵活，隔离度好。
综上所述，本发明提出一种新型高隔离度的功分器的生成方法，利用LTCC工艺加工实现微波基板和微波电路图形，利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻以实现满足技术需求的不等分功分器两端口插入损耗和隔离度，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。这种功分器由功率分配T型枝节、隔离电阻、电压传递微带线、阻抗变换微带线和测试端口组成。现有的技术方案当工作频率较高时利用微带线难以设计高隔离度功率分配器，本发明与现有的电长度为270°的微带功分器技术方案相比较，电路尺寸减小且减少了较长的微带线所带来的损耗；与现有的不附加隔离电阻的技术方案相比较，本发明设计的微波/毫米波不等分功分器可提供较高的隔离度。本发明所引入的360°的微带线从微波电路理论考虑没有限制阻抗，通常来说，采用适合工艺加工的较细线条可以获得灵活的结构，采用较粗线条可承受更高的失配所形成的功率，该设计方法解决了高频率微波功分器隔离度低的难题，并提高了功分器的功率适用范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种微波不等分功率分配器的设计方法，其特征在于，包括：
利用低温共烧陶瓷工艺加工微波基板和微波电路图形；
利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻；
使用所述隔离电阻和一段便于弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻。
2.如权利要求1所述的功率分配器设计方法，其特征在于，所述微波基板采用损耗角正切为0.002、相对介电常数为5.9±0.2的Ferro A6M陶瓷，通过改变低温共烧陶瓷材料的层数来改变微波基板的总厚度，以便于实现不同特征阻抗的微带线。
3.如权利要求1所述的功率分配器设计方法，其特征在于，利用厚膜电阻工艺加工隔离电阻，包括：
采用后烧电阻材料来加工隔离电阻，
隔离电阻的值由公式决定，隔离电阻的尺寸由决定；
利用激光调阻对隔离电阻的尺寸进行微调，并通过直流测试来获得设计期望的阻值。
4.如权利要求1所述的功率分配器设计方法，其特征在于，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之后，还包括：
采用金属浆料填充的实心通孔作为测试端口接地结构。
5.如权利要求1所述的功率分配器设计方法，其特征在于，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之前，还包括：
根据采用电路仿真的方法，确定每个电长度为90°的微带线的特征阻抗。
6.如权利要求1所述的功率分配器设计方法，其特征在于，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻之前，还包括：
利用有限元全波计算方法计算出弯折的360°的微带线的具体结构。
7.如权利要求1所述的功率分配器设计方法，其特征在于，使用所述隔离电阻和一段弯折的360°的微带线替代原有单个隔离电阻，设计步骤包括：
步骤一、根据Wilkinson功分器阻抗计算方式计算出所需的电长度为90°的微带线的阻抗，具体为50 ohm/103 ohm/51.5 ohm/59 ohm/42 ohm；
步骤二、在工艺允许的加工精度内，利用有限元全波计算方法计算出电长度为360°的微带线的具体结构；
步骤三、根据最恶劣的功率失配情况计算出电长度为360°的微带线的宽度；
步骤四、根据实际应用需求摆放两个电长度为90°的微带线的夹角角度；
步骤五、在两个电长度为90°的微带线中任一个的末段摆放厚膜电阻，并计算出需要的106 ohm厚膜电阻的尺寸；
步骤六、根据上述微带线的角度来弯曲电长度为360°的微带线，使之符合小型化需求和高隔离度需求；
步骤七、对不同阻抗值的微带线相连处采用削45°角的方式来消弱不连续性所增加的电容；
步骤八、对上述版图进行优化，获得最终版图。
步骤九、加工后对厚膜电阻进行激光调阻。
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